• Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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• v.8 no.2
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• pp.59-63
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• 2008

The surface runoff is one of the important components for the surface water balance. However, most Land Surface Models(LSMs), coupled to climate models at a large scale for the prediction and prevention of disasters caused by climate changes, simplistically estimate surface runoff from the soil water budget. Ignoring the role of surface flow depth on the infiltration rate causes errors in both surface and subsurface flow calculations. Therefore, for the comprehensive terrestrial water and energy cycle predictions in LSMs, a conjunctive surface-subsurface flow model at a large scale is developed by coupling a 1-D diffusion wave model for surface flow with the 3-D Volume Averaged Soil-moisture Transport(VAST) model for subsurface flow. This paper describes the new conjunctive surface-subsurface flow formulation developed for improvement of the prediction of surface runoff and spatial distribution of soil water by topography, along with basic schemes related to the terrestrial hydrologic system in Common Land Model(CLM), one of the state-of-the-art LSMs.

• Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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• v.8 no.3
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• pp.23-27
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• 2008

The new conjunctive surface-subsurface flow model at a large scale was developed by using a 1-D Diffusion Wave (DW) model for surface flow interacting with the 3-D Volume Averaged Soil-moisture Transport (VAST) model for subsurface flow for the comprehensive terrestrial water and energy predictions in Land Surface Models (LSMs). A selection of numerical implementation schemes is employed for each flow component. The 3-D VAST model is implemented using a time splitting scheme applying an explicit method for lateral flow after a fully implicit method for vertical flow. The 1-D DW model is then solved by MacCormack finite difference scheme. This new conjunctive flow model is substituted for the existing 1-D hydrologic scheme in Common Land Model (CLM), one of the state-of-the-art LSMs. The new conjunctive flow model coupled to CLM is tested for a study domain around the Ohio Valley. The simulation results show that the interaction between surface flow and subsurface flow associated with the flow routing scheme matches the runoff prediction with the observations more closely in the new coupled CLM simulations. This improved terrestrial hydrologic module will be coupled to the Climate extension of the next-generation Weather Research and Forecasting (CWRF) model for advanced regional, continental, and global hydroclimatological studies and the prevention of disasters caused by climate changes.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.540-540
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• 2012

강우 발생시 유역에 집수된 물이 하천에 이르는 경로에 따른 유출은 지표유출, 지표하유출, 지하수유출로 구분된다. 정확한 수문순환 과정의 해석을 위해서는 지표 흐름뿐만 아니라 지표하 및 지하수 흐름의 해석이 중요한 실정이나 일반적으로 실무에서 사용되는 강우-유출해석 모형은 지표유출을 해석하기 위한 모형이 대부분이며, 지표하 유출과 침투량을 산정하는데 어려움이 있다. 일반적인 강우-유출해석 모형은 Horton 방법, NRCS 방법, Green-Ampt 방법에 의해 유효우량을 분리하며, 이 과정은 침투량을 직접적으로 모형화 할 수 없으므로 지표 및 지표하, 지하수 흐름을 복합적으로 해석할 수 있는 모형이 질적이나 양적으로 부족한 실정이다. 이러한 지표하 흐름과 침투량을 산정하기 위하여 FE-FLOW, PM, MS-VMS, GMS, GW-VISTAS, ARGUS 및 MODFLOW와 같은 지하수 모형을 사용하고 있다. 본 연구에서는 지표하유출 산정을 위한 침투량의 비교분석을 위해 현재 가장 범용되는 지하수 유동 모델링 프로그램인 Visual Modlfow 모형과 GMS 모형을 이용하여 침투량 산정을 위한 수치 모의를 진행하였다. 각 모형의 입력자료는 2009년 국립방재연구원에서 수행한 침투실험시설 자료를 이용하여 동일한 조건을 부여하고, 두 모형의 비교를 위해 Visual Modflow에서는 MODFLOW의 기본 해석방법인 유한차분법(FDM)을 이용하고, GMS 모형에서는 3차원 유한요소해석이 가능한 GMS-FEMWATER를 이용하였다. 두 모형의 수치모의 조건으로 2009년 국립방재연구원에서 수행한 침투실험방법과 동일하게 공극률에 따른 투수성 보도블럭의 구분과 50mm/hr, 100mm/hr, 150mm/hr, 200mm/hr의 강우강도별 선행함수조건에 따른 수치모의를 진행하였으며, 수치모의된 침투량의 적정성을 판단하기 위하여 국립방재연구원의 침투실험 결과자료와 비교분석하였다. 침투실험 자료와 각각 수치모의된 침투량을 비교분석한 결과 서로 유사한 경향을 보이고 있으나 초기 침투시 상대오차가 비교적 크게 발생하였다. 이는 수치모형의 경우 수리실험과는 다르게 모의시작과 동시에 해당 강우강도의 침투가 시작되므로 초기 유입 유출량 발생시간의 차이가 종료시간까지 누적 침투량에 미치는 것으로 판단되며, 매개변수에 많은 영향을 받는 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.127-127
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• 2023

지표수와 하상 경계층에서 발생하는 흐름 교환은 하천, 호소, 연안, 해안 등 자연계에 존재하는 수환경시스템에서 일반적으로 나타나는 수리학적 특성으로서, 흐름 교환이 발생하는 경계층 아래 하상층 영역을 혼합대(hyporheic zone)라 부른다. 수질오염사고 등에 의해 외부의 오염물질이 하천 내 유입될 경우, 혼합대 흐름에 의해 하상층으로 침투되고 지표수 대비 유속이 느린 하상 내 공극 흐름에 의해 거동함에 따라 이들의 하천 내 체류시간이 증가하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 지표수와 하상 흐름을 연계한 수치해석 방법을 적용하여 혼합대가 지표수 내 용질 체류시간에 미치는 영향을 분석하였다. 먼저 연직 2차원 Reynolds 평균 Navier-Stokes(RANS) 방정식과 Darcy 방정식을 연계하여 지표수와 하상 내 흐름을 해석하였다. 지표수 영역은 RANS 방정식을 이용하여 모의하였고, 지표수 흐름해석에서 얻어진 하상의 압력장을 경계조건으로 하여 Darcy 방정식과 함께 하상 내 흐름을 모의하였다. 여기서 하상의 형태는 자연계 하천에서 일반적으로 관찰되는 사련하상(Ripple bed)으로 모사하였다. 이후, 지표수-하상 연계모의를 통해 얻어진 흐름 결과를 바탕으로 지표수-하상 경계층에서 용질거동을 모의하였다. 흐름 모의결과를 과거 실험자료와 비교한 결과, 지표수 영역 내연직흐름 분포를 정확하게 재현하였고, 동시에 혼합대 흐름 구조에 큰 영향을 미치는 지표수-하상 경계층 압력 분포 역시 관측값과 유사하게 나타났다. 용질거동 해석을 통해 얻어진 용질의 체류시간을 분석한 결과, 혼합대 흐름이 고려된 경우(투수성 하상)와 고려되지 않은 경우(불투수성 하상)를 비교했을 때 전자에서 체류시간 분포의 감수곡선이 길어지고 첨두농도가 감소하는 것으로 나타났다. 아울러, 지표수 영역의 유입부 경계의 평균 유속이 증가함에 따라 최대 체류시간이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 지표수-하상 경계층에서의 압력 경사가 커져 혼합대 내 유속이 증가함에 기인하는 것으로 분석되었다.

• Water for future
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• v.24 no.1
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• pp.109-117
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• 1991

The governing equation of flow in porous media is developed on the bases of the continuity equation of fluid for transient flow through a saturated-unsaturated zone, and substitution of Darcy's law. The numerical solutions are obtained by finite element method based on the Galerkin principles weighted residuals. The analysis are carried out by using the unsteady storm data observed and rainfall intensities which are obtained by using the rainfall excess model in considering of the initial losses. The functional relationships between the hydraulic conductivity, capillary pressure head and volumetric water content are applied to the flow of water through unsaturated soil varied with changes of water content.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.434-434
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• 2012

현재 지하차도 설계 지하수위는 철도, 지하철 및 공동구의 설계기준과 기존사례를 준용하여 지표면 하 1.0 m를 기준으로 설계하고 있으며, 지하차도 설계시 지하수위 적용에 대한 명확한 기준과 그에 따른 설계와 유지관리지침 등이 마련되어 있지 않아 부득이 기존의 공법을 그대로 답습하고 있다. 또한 대부분 과다설계 요인과 친환경적이지 못하다는 지적받고 있는 부력앵커공법을 적용하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 영종하늘도시 사업지구에 시공중인 지하차도 구조물과 관련하여 지하차도 구조물 건설에 따른 지하수 흐름 변화 특성을 평가하여 유도배수공법의 효과를 검토하였다. 지하차도 건설에 의한 흐름변화 분석을 위하여 3차원 지하수 MODFLOW 프로그램을 이용하였으며 지하차도 건설전, 후에 대하여 프로그램을 수행하였다. 수행 결과 지하차도 건설 전 유역의 평균 지하수위는 지표하 1~2m 이상으로 비교적 높은 지하수를 형성하고 있는 것으로 평가되었다. 유도배수공법을 적용한 지하차도 건설 후 지하차도 주변부 지하수위는 건설전에 비하여 약 3~4 m 하강하는 것으로 분석되었으며, U-type 종점부는 지표하 최소 6 m 이상, 시작부는 지표하 최소 3.4 m 이상 아래에 형성되는 것으로 평가된다. 연구 결과는 향후 지하차도 유도배수공법 평가의 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.34 no.4
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• pp.403-411
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• 2001

This paper investigates the applicability of a modified version of TOPMODEL considering shallow subsurface storm flow in a forested mountaneous catchment. The macroporous soil structure provides a hydrological pathway for rapid runoff generation. A modified version of TOPMODEL introduces the two-storage system to analyze the hydrograph recession including rapid subsurface storm flow component. The two-month continuous hydrologic simulations of sulmachun watershed suggest that a modified version of TOPMODEL represents comprehensive and realistic flow generation mechanism comparing to those of an original version of TOPMODEL. The results of parameter calibration with Monte-Carlo method indicate a modified version of TOPMODEL produces a set of physically meaningful parameters.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.436-436
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• 2022

셀룰러 오토마타(Cellular Automata; CA)는 격자(cell)에 대해 사전 정의된 규칙을 바탕으로 이웃 격자 간 상호작용을 해석하여 복잡한 동력학적 현상을 효과적으로 재현할 수 있는 이산형(discrete) 모의 기법이다. CA 기법은 격자 구조에 수치표고 자료 및 토양수분 정보 등을 직접 매칭 후 상호관계를 해석하기 때문에 공간정보를 최대한 활용하여 불균질성을 나타내는 것이 가능하다. 따라서, 도시 유출해석에 있어서 높은 정확도와 빠른 계산속도를 기대할 수 있다. 본 연구에서는 CA 기반 고해상도 물순환·침수 연계 해석 framework 개발 방향 및 CA 기반 prototype 모형의 사면유출 적용 사례를 소개한다. 개발 중인 CA 모형에서는 격자별 침수 깊이, 침투, 토양수분 저류, 지표 유출 등의 물순환 요소를 모의할 수 있다. 기존의 집중형(lumped) 모형은 지표-지표하 유출에 대한 routing algorithm이 없고 각 셀의 물수지 모형 내 파라미터가 많은 단점이 있다. 따라서 개발 중인 CA 모형에서는 cell state 내 fast reservoir와 slow reservoir를 통해 지표-지표하 상태를 구현하고 단순화된 물수지 모형 및 흐름 방향 알고리즘을 적용함으로써 실제 현장에서 발생하는 다중 피크 형태의 지표 유출을 모사한다. 최적의 지표수 흐름 방향 알고리즘 선정을 위해 3개의 다중 흐름 방향 알고리즘(D4, D8, 4+4N)을 정량적으로 비교·분석한다. 이번 발표에서는 CA 모형을 소규모 산지 사면과 도심지 등 다양한 규모의 테스트베드에 적용하여 모형의 장단점을 평가한다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.31 no.3
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• pp.303-308
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• 1998

A grid-based KInematic were STOrm Runoff Model (KIMSTORM) with predicts temporal and spatial distributions of saturalted orerland flow, subsurface flow and stream flow in a watershed was developed. The model adopts the single overland flowpath algorithm and simulates surface and/or subsurface water depth at each grid element by using grid-based water balance of hydrologic components. The model which is programmed by C-language uses ASCII-formatted map data supported by the irregular gridded map of the GRASS(Geographic Resources Analysis Support System) GIS and generates the spatial distribution maps of discharge, flow depth and soil moisture within the watershed.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.55 no.1
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• pp.23-32
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• 2022

This paper performs two-dimensional numerical simulation of surface water-groundwater coupled flow and solute transport to investigate the effect of the hyporheic exchange at the sediment-water interface (SWI) on surface solute transport. For the impermeable bed case in the absence of hyporheic flow, the trapping effect of flow recirculation associated with the ripple bed controls the shape of breakthrough curves (BTCs). However, the permeable bed case with hyporheic flow stimulates the extended tailing of the BTCs more significantly due to the elevated concentration of the BTC tailing resulting from slow hyporheic velocity. Also, the increased bottom pressure at the SWI with an increase in surface velocity shortens the BTC tailing because of increasing hyporheic velocity. These results infer that hyporhiec flow is critically important in predicting solute residence times in surface water.